エネルギー
ナトリウムと水素の固体電池がリチウムに挑戦
リチウムイオンを超えて
すべての形態の輸送手段の電動化が進む中、まず自動車から始まり、やがてトラック、船舶、さらには航空機にまで拡大することで、バッテリー蓄電はこの10年の鍵技術となっています。
当初は小型電子機器の製造経験とリチウムの固有の電気特性により、リチウムイオン技術が支配的でした。
しかし、リチウムイオン技術には採用を制限する可能性のあるいくつかの重要な課題があります:
- 他の金属に比べて高価で希少であるため、超高密度バッテリーや高級製品への適用が限定される可能性があります。
- 金属デンドライトが形成されやすく、致命的な故障やバッテリー火災を引き起こすことがあります。
- 低温下での性能が低く、寒冷地域や低温での固定蓄電には不向きです。
これらすべての理由から、科学者やバッテリーメーカーは代替化学系の探索を進めています。その一つが、豊富で安価な海塩の成分でもあるナトリウムの利用です。
ナトリウムイオンバッテリーはまもなく大量生産段階に入りつつあり、CATL（300750.SZ）がこの分野をリードしています。
「ナトリウム対リチウムという問題ではなく、両方が必要です。明日のエネルギー貯蔵ソリューションを考えるとき、同じギガファクトリーがリチウムとナトリウムの両方の化学系に基づく製品を生産できると想像すべきです」
それでも、リチウムイオンとナトリウムイオンバッテリーは、固体電池というより優れたバッテリー技術への踏み台と見なされています:
当初はリチウムに焦点を当てていた固体電池技術は、現在新たな方向へと拡大しています。例えば、以前にナトリウムをベースにしたアノードフリー固体電池の可能性について議論しました。
新たな研究により、メタ安定的なナトリウム固体電解質が、エネルギー密度が高いだけでなく、氷点下でも性能を維持できる固体電池の実現に利用できることが明らかになりました。
この研究はカリフォルニア大学、シカゴ大学、台湾科学技術大学の科学者らによって実施され、ジャーナル Joule1 に「厚電極を持つ全固体電池用メタ安定的ナトリウムクローソ-ハイドリドボレート」というタイトルで掲載されました。
固体電解質の課題
「通常」のバッテリーでは、正極と負極は液体電解質で分離されています。この電解質は有用ですが、重く、故障したバッテリーの発火原因の主要因でもあります。
そのため、液体電解質を固体材料の層に置き換えることで、バッテリーは密度が高くなるだけでなく、安全性も向上します。しかし、充放電時に固体電解質が膨張したり（ひび割れを引き起こす）安定させ続けることが課題となってきました。
ナトリウム固体電解質は、常温でのイオン伝導率が限られているという追加の問題があります。
代替案として、非常に高いイオン伝導率を持つことが知られるナトリウムハイドリドボレートのような材料が考えられます。しかし、スケールでバッテリーに使用するには、そのメタ安定形態を維持する必要があります。
「このナトリウムハイドリドボレートのメタ安定構造は、文献で報告されているものより少なくとも1桁、前駆体自体よりも3〜4桁高いイオン伝導率を示します」
Shirley Meng– シカゴ大学 PME 分子工学教授
ナトリウム固体電解質の安定化
ナトリウムハイドリドボレートでバッテリーを製造すると、冷却時に安定構造へと移行し、NaBH4 と Na2B12H12 分子が分離してしまいます。
高温で存在するメタ安定形態では、2つの結晶が混合し、バッテリー内のナトリウム移動がはるかに速くなり、電気容量が向上します。
Source: Joule
急速に冷却すると、メタ安定形態のまま結晶構造が保持され、安定形態に戻らなくなります。このような急冷は「クエンチ」と呼ばれ、金属加工、特に鋼や他の金属の製造で重要な手法です。
Source: Joule
スケーラビリティのための既知技術
化学構造を安定させるためにクエンチ（急速冷却）が有効であることはすでに知られていましたが、固体電解質で実証されたのは今回が初めてです。
この慣例的な手法は、バッテリーメーカーがこの技術をスケールアップし採用する上で大きく役立つ可能性があります。
「この技術は確立されているため、将来的にスケールアップしやすくなります。
新しい提案やプロセス変更が必要な場合、業界は受け入れに慎重になるでしょう。」
厚電極と低温
多くの固体電池設計は、接触面積を最大化し、エネルギーを蓄えない「死んだ」材料の量を減らすために、超薄型正極を設計しようとします。
クエンチは、ナトリウムイオンが循環できる永久的な孔を作り出すことでこの課題を解決します。
「メタ安定相と、塩化物系固体電解質でコーティングされた O3 型正極を組み合わせることで、厚く高面積負荷の正極を実現でき、従来のナトリウム電池を超える設計になります。」
Sam Oh – シンガポール A*STAR 材料研究・工学研究所.
この設計は興味深い可能性を示しており、電極を厚くすることで、特定の場合にバッテリー性能が向上し、逆に劣化しないことが期待されます。
「正極が厚くなるほど、特定面積あたりに保持されるエネルギー密度（理論エネルギー密度）が向上します。」
Sam Oh – シンガポール A*STAR 材料研究・工学研究所.
正極のテストでは、室温だけでなく氷点下でも性能が維持されることが確認されました。これは従来の液体電解質リチウムイオンに比べて寒冷気候での運用に有利ですが、商用リチウムイオンに対するシステムレベルでの優位性はまだ実証されていません。
水素を電荷キャリアに
輸送やグリーンエネルギーに関して水素といえば、通常は二水素（H₂）で、専用エンジンや燃料電池で燃焼または酸化されます。
しかし将来的には、水素がバッテリーの主要成分としてリチウムやナトリウムに代わる可能性があります。その場合は水素イオン（H⁻）が使用されます。
水素は宇宙で最も豊富な元素であるため、全電化とグリーンエネルギー・バッテリー社会を目指す世界に特に有用です。
中国科学院大学、 中国科学技術大学（USTC）、吉林大学、そして中国国家重点実験室（触媒）の研究者らは、権威ある科学誌 Nature2 に「常温で充電可能な全固体ハイドリドイオン電池」というタイトルで固体ハイドリドイオン電池の概念を発表しました。
ハイドリドイオン
バッテリーは負の電荷キャリアを用いて、正極と負極間で電子を輸送します。理論的には、ハイドリドイオン（H⁻）はリチウムやナトリウムなどのカチオンに比べてエネルギーが高く、分極しやすく、反応性が高いとされています。
水素は最小の原子でもあるため、特に軽量であり、輸送用バッテリーにとって重要なポイントです。
しかし、これらの利点にもかかわらず、ハイドリドイオンはこれまでバッテリーに使用されていません。なぜなら、急速なイオン移動、熱安定性、電極適合性を同時に満たす電解質が存在しなかったからです。
導電性と安定性の組み合わせ
研究者らは、薄い BaH₂ シェルで CeH₃ を包むコア–シェル複合ハイドリド「3CeH₃@BaH₂」を合成しました。この構造は CeH₃ の高いハイドリドイオン導電性と BaH₂ の安定性を活かしています。
このシェル複合体を基盤として、研究者は CeH₂|3CeH₃@BaH₂|NaAlH₄ の全固体ハイドリドイオンプロトタイプを作製しました。NaAlH₄ は古典的な水素貯蔵材料で、正極の活性成分として使用されました。
デンドライトを永遠に除去できるか？
高エネルギー容量に加えて、ハイドリドイオンはもう一つ大きな利点があります: 金属カチオンとは異なり、ハイドリドイオンは相互に集合してデンドライトを形成できません。デンドライトは多数の充放電サイクル後にバッテリーが故障する主因で、短絡や火災を引き起こします。
したがって、安全で効率的、かつ持続可能なエネルギー貯蔵手段となり得ます。
しかし、この技術はリチウムバッテリーやナトリウムバッテリーに比べてはるかに成熟度が低く、設計の耐久性向上が必要です。
現在、研究者は室温で 984 mAh/g の高エネルギー密度を実現しましたが、20 サイクル後には 402 mAh/g に低下しています。
固体電池の未来
短期的には、リチウムイオン技術を使用したバッテリーがグリーンエネルギーと電気自動車の基盤として残る可能性が高いです。
しかし中期的には、固体電池やナトリウム（および固体ナトリウム）電池がリチウムイオンの支配を置き換える可能性があり、特にエネルギー密度が十分に高く、価格が低減すればその傾向は顕著になるでしょう。
固体電池の高速充電は、EV への乗り換えに抵抗感を持つドライバーや商業用途にとっても大きな魅力となります。
耐久性と低温耐性も重要な要素であり、2030 年代にはさまざまなバッテリー化学系が並行して存在し、寒冷地域向けの EV 用に特化したバッテリーも登場する可能性があります。
以下の記事でこれらのトピックをさらに読むことができます:
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| バッテリータイプ | エネルギー密度 | サイクル寿命 | コスト | 成熟度 |
|---|---|---|---|---|
| リチウムイオン | 250–300 Wh/kg | 1,000+ サイクル | 高 | 商用 |
| ナトリウムイオン | 160–200 Wh/kg | 1,000+ サイクル | 低 | スケーリング中（CATL） |
| 固体電池（リチウム） | 350–500 Wh/kg | >2,000 サイクル（目標） | 高（R&D） | パイロット（2026–27） |
| ハイドリドイオン | 984 mAh/g（プロトタイプ） | 20 サイクル（現状） | 不明 | 初期研究 |
固体電池 企業
QuantumScape
(QS )
2010 年に設立されたカリフォルニア州の QuantumScape は、固体電池分野の有力スタートアップであり、早期にこの領域へ参入し、CATL（300750.SZ）やサムスン、LG エナジーソリューション（373220.KS）といった大手バッテリーメーカーとは独立した立ち位置を保っています。
Source: QuantumScape
QuantumScape バッテリーのユニークな特徴は、発表当時画期的とされた「アノードフリー」設計です。
これにより約 15 分で高速充電（10‑80％、45 ℃）が可能で、セパレーターは不燃性・不燃焼性です。
Source: QuantumScape
この設計により、エネルギー密度と充電速度の面で他社を大きく上回り、テスラ（自社設計および CATL 製）などのリーダーを圧倒しています。
Source: QuantumScape
しかし、これらの顕著な性能は生産拡大の苦戦により定期的に阻害されてきました。資金の消耗も招き、投資家の持株希薄化や株価下落を招いています。
2024 年にPowerCo（フォルクスワーゲングループのバッテリー部門）とのライセンス契約が結ばれたことで、状況は変わりつつあります。
この非独占的ライセンスにより、PowerCo は年間最大 40 GWh の電気自動車用バッテリーを製造でき、将来的には 80 GWh へ拡大するオプションがあります。
QuantumScape の生産急拡大は、Cobra と呼ばれる次世代固体電池セパレーター装置に起因しており、セラミック製造の画期的技術です。
全体として、Cobra は 2025 年に生産ラインに統合され、2026 年には QuantumScape バッテリーを搭載した初の完成 EV が生産される見込みです。
Source: QuantumScape
この動きは、創業から 16 年が経過した同社が有望なスタートアップから、世界最大級の自動車メーカーとのパートナーシップで収益を伸ばす転換点となる可能性があります。
PowerCo との関係は 2025 年にさらに深化し、デュカティのモーターサイクルで固体電池が使用、さらに PowerCo は今後 2 年間で最大 1億3100万ドルの新たな支払いを提供する予定です。
“この拡大合意は、両社間の戦略的、技術的、財務的な整合性が高まっていることを明確に示すシグナルです。
QSE‑5 がバッテリー業界を変革するプラットフォームであるという、我々の共同の自信を反映しています。
その間、投資家は株価の変動性は続くものの、製品開発トンネルの先に光が見えていると期待すべきです。
（他の米国・海外バッテリー企業については、当記事「トップ 10 バッテリーストックへの投資ガイド」をご参照ください）
参照研究
1. Jin An Sam Oh, et al. 厚電極を持つ全固体電池用メタ安定的ナトリウムクローソ-ハイドリドボレート Joule. 102130. 2025 年 9 月 16 日. https://www.cell.com/joule/abstract/S2542-4351(25)00311-3
2. Jirong Cui, et al. 常温で充電可能な全固体ハイドリドイオン電池. Nature. 2025 年 9 月 17 日. https://doi.org/10.1038/s41586-025-09561-3
